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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optoelektronische Vorrichtungen,
Displays sowie deren Antriebsschaltkreis.
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Hintergrund der Erfindung
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Arten optoelektronischer Displays
bekannt. Eine Art umfasst eine LED-Matrix (LED = Leuchtdiode), zum Beispiel
in einem organischen oder anorganischen monochromatischen Display
oder einem mehrfarbigen Display.
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Bei
einer Klasse optoelektrischer Vorrichtungen für optoelektronische
Displays kommt ein organisches Material zur Lichtemission (bzw.
-detektion im Falle von Photovoltaikzellen und dergleichen) zum Einsatz.
Die Grundstruktur dieser Vorrichtungen ist eine Licht emittierende,
organische Schicht, z. B. ein Film aus Poly-(p-phenylenvinylen)
(”PPV”) oder Polyfluoren zwischen einer Kathode
zur Injektion negativer Ladungsträger (Elektronen) und
einer Anode zur Injektion positiver Ladungsträger (Löcher)
in die organische Schicht. Durch Kombination der Elektronen und
Löcher in der organischen Schicht entstehen Photonen. In
der
WO 90/13148 ist
das organische, Licht emittierende Material ein Polymer. In der
US 4,539,507 stammt das
organische, Licht emittierende Material aus der Klasse der sogenannten
kleinmoleküligen Materialien wie z. B. (8-Hydroxychinolin)-aluminium
(”Alq3”). In einer praktischen Vorrichtung ist eine
der Elektroden lichtdurchlässig, damit die Photonen aus
der Vorrichtung austreten können.
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Eine
typische organische Lichtemissionsvorrichtung (”OLED”)
besteht aus einem mit einer lichtdurchlässigen Anode wie
Indiumzinnoxid (”ITO”) beschichten Glas- oder
Kunststoffsubstrat. Eine Schicht eines Dünnfilms aus mindestens
einem elektrolumineszierenden, organischen Material bedeckt die
erste Elektrode. Schließlich bedeckt eine Kathode die Schicht
aus dem elektrolumineszierenden, organischen Material. Die Kathode
ist typischerweise ein Metall oder eine Legierung und kann eine
Einzelschicht wie z. B. Aluminium oder eine Vielzahl von Schichten
wie z. B. Calcium und Aluminium umfassen.
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Bei
Gebrauch werden durch die Anode Löcher und durch die Kathode
Elektronen in die Vorrichtung injiziert. Durch Kombination der Löcher
und Elektronen in der organischen, elektrolumineszierenden Schicht
entsteht ein Exziton, das dann unter Abgabe von Licht einem Strahlungszerfall
unterliegt.
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Organische
LEDs können auf einem Substrat in einer Pixelmatrix abgeschieden
sein, so dass ein Display mit ein- oder mehrfarbigen Pixeln entsteht.
Ein mehrfarbiges Display kann aus Gruppen rotes, grünes
und blaues Licht emittierender Pixel gebildet sein. Sogenannte aktive
Matrizen besitzen ein Speicherelement, typischerweise einen Speicherkondensator
und einen Transistor für jeden Pixel. Sogenannte passive
Matrizen besitzen kein solches Speicherelement und werden stattdessen
wiederholt abgetastet, um den Eindruck eines konstanten Bildes zu
vermitteln.
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1 stellt
ein Display aus einer passiven Matrix mit einem Leuchtdiodenarray
dar. Die Leuchtdioden befinden sich zwischen einer Vielzahl von
Anodenleitungen und einer Vielzahl von Kathodenleitungen und sind
mit ihnen gekoppelt, so dass eine elektrische Vorspannung zum Antrieb
der Dioden entsteht. Die Anodenleitungen weisen eine positive Vorspannung,
die Kathodenleitungen eine negative Vorspannung relativ zueinander
auf.
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2 stellt
einen vertikalen Querschnitt durch eine beispielhafte OLED-Vorrichtung 100 dar. In
einem Display aus einer aktiven Matrix ist ein Teil der Pixelfläche
von einem entsprechenden Antriebsschaltkreis belegt (in 1 nicht
dargestellt). Die Struktur der Vorrichtung ist zum Zwecke der Veranschaulichung
etwas vereinfacht.
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Die
OLED 100 umfasst ein Substrat 102 aus typischerweise
0,7 mm bzw. 1,1 mm dickem Glas oder wahlweise durchsichtigem Kunststoff,
auf dem eine Anodenschicht 106 abgeschieden ist. Die Anodenschicht
umfasst typischerweise etwa 150 nm dickes ITO (Indiumzinnoxid),
auf dem sich eine Metallkontaktschicht aus typischerweise etwa 500
nm dickem Aluminium – zuweilen als Anodenmetall bezeichnet – befindet.
Mit ITO und einem Kontaktmetall beschichtete Glassubstrate sind
von Corning, USA erhältlich. Damit es das Display nicht
verdeckt, wird das Kontaktmetall (und wahlweise das ITO) je nach Wunsch
durch ein herkömmliches Photolithographieverfahren und
anschließendes Ätzen mit einem Muster versehen.
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Auf
dem Anodenmetall befindet sich eine im Wesentlichen lichtdurchlässige
Lochtransportschicht 108a, gefolgt von einer elektrolumineszierenden Schicht 108b.
Auf dem Substrat können Barrieren 112, z. B. aus
positivem oder negativem Photoresistmaterial, zur Definition von
Vertiefungen 14, ausgebildet sein, in die diese aktiven
organischen Schichten z. B. durch Tröpfchenabscheidungs-
oder Tintenstrahldrucktechniken selektiv abgeschieden werden können.
Die Vertiefungen definieren somit die Lichtemissionsbereiche oder
Pixel des Displays.
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Dann
wird z. B. mittels physikalischer Dampfabscheidung eine Kathodenschicht 110 aufgebracht. Die
Kathodenschicht umfasst typischerweise ein Metall mit geringer Austrittsarbeit
wie z. B. Calcium oder Barium, das mit einer dickeren Deckschicht
aus Aluminium bedeckt ist, und wahlweise für eine verbesserte
Angleichung des Elektronenenergieniveaus eine weitere, der elektrolumineszierenden
Schicht unmittelbar benachbarte Schicht wie z. B. eine Lithiumfluoridschicht
einschließt.
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Bei
bestimmten Anwendungen ist eher die Bereitstellung einer Lichtsensorvorrichtung
als einer Lichtemissionsvorrichtung wünschenswert, z. B.
bei Photovoltaikzellen, Kameras und dergleichen. Vorrichtungen mit
Lichtsensordioden sind bekannt und weisen eine ganz ähnliche
Struktur wie LED-Vorrichtungen auf. Die Lichtsensordioden funktionieren
im Wesentlichen umgekehrt wie die zuvor beschriebenen Leuchtdioden.
Ein auf eine Lichtsensordiode treffendes Lichtphoton erzeugt ein
Exziton mit einem Loch und einem Elektron in einer optoelektrisch
aktiven Schicht der Vorrichtung. Wird mittels entgegen gesetzter
Elektroden eine Vorspannung an die optoelektrisch aktive Schicht
angelegt, können das Loch und das Elektron mittels der
entgegen gesetzten Elektroden aus der optoelektrisch aktiven Schicht
extrahiert werden, wodurch ein von einem geeigneten Sensorschaltkreis
wahrgenommener Strom erzeugt wird. Die Löcher werden durch
die negativ vorgespannte Elektrode, die Elektronen durch die positiv vorgespannte
Elektrode extrahiert. Damit die Elektroden die Löcher und
Elektronen ohne große Vorspannung leicht extrahieren können,
werden geeignete Materialien ausgewählt. Als positiv vorgespannte Elektrode
sollten Elektronen aufnehmende Materialien ausgewählt werden,
als negativ vorgespannte Elektrode Löcher aufnehmende Materialien.
Für gewöhnlich sind Materialien, die gute Lochinjektoren
in Lichtemissionsvorrichtungen sind (Anodenmaterialien), auch gute
Lochakzeptoren in Lichtsensorvorrichtungen. In ähnlicher
Weise sind Materialien, die gute Elektroneninjektoren in Lichtemissionsvorrichtungen sind
(Kathodenmaterialien), auch gute Elektronenakzeptoren in Lichtsensorvorrichtungen.
Daher besteht die negativ vorgespannte Elektrode (die Kathode) in Sensorvorrichtungen
für eine leichte Lochaufnahme vorteilhafterweise aus einem
Anodenmaterial und die positiv vorgespannte Elektrode (die Anode)
vorteilhafterweise aus einem Kathodenmaterial.
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Bei
bestimmten Anwendungen ist die Bereitstellung einer Vorrichtung
mit sowohl Lichtemissionspixeln als auch Lichtsensor/-detektorpixeln
wünschenswert. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung ist
ein Touchscreen, der eine Vielzahl von Lichtemissionspixeln in einem
Array, das auch eine Vielzahl von Lichtsensorpixeln enthält,
umfasst. Kommt der Benutzer mit dem Finger in die Nähe
eines solchen Displays, wird das vom Display emittierte Licht reflektiert
und von einem oder mehreren Sensorpixeln in der Nähe des
Fingers detektiert. Alternativ können die Lichtsensorpixel
in einem solchen Display mit Hilfe eines anderen Betätigungsmechanismus
wie beispielsweise einer externen Lichtquelle, z. B. eines Lichtstifts
angesteuert werden. Die Position des Stellglieds bestimmt, welche
Sensorpixel angesteuert werden. Diese Funktionalität kann
z. B. der Auswahl eines im Display der Vorrichtung dargestellten
Symbols oder eines im Display der Vorrichtung dargestellten Menüpunktes
dienen.
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Vorrichtungen
mit einem LED-Display aus einer aktiven Matrix, die sowohl Lichtemissionspixel
als auch Lichtsensorpixel umfasst, sind bekannt. Da sie jedoch komplexe
Schaltkreise aufweisen, erfordern sie einen komplizierten Herstellungsprozess
und sind demzufolge in der Produktion relativ teuer.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sollen die zuvor genannten Probleme im
Stand der Technik lösen.
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Zusammenfassung der vorliegenden
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine einfachere und kostengünstige
Displayvorrichtung mit Lichtemissions- und Lichtsensorfunktionalität
zur Verwendung als Touchscreen oder dergleichen bereit.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, haben die Erfinder erkannt, dass eine
Lösung dieses Problems die Verwendung eines LED-Displays
aus einer passiven Matrix (und nicht eines Displays aus einer aktiven Matrix) ähnlich
wie der in 1 dargestellten ist, wobei jedoch
zumindest einige Dioden zur Detektion des auf das Display treffenden
Lichts verwendet werden. Das heißt, der Sensorschaltkreis
kann zur Detektion des auf die Vorrichtung treffenden Lichts zumindest
mit einigen Dioden gekoppelt sein.
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Ein
Problem bei dieser Lösung ist, dass das Display mit Dioden
aus einer passiven Matrix keinen eigenen Schaltkreis für
die einzelnen Dioden aufweist, wie es bei einem Display aus einer
aktiven Matrix der Fall ist. Die Dioden befinden sich vielmehr zwischen
einem gemeinsamen Array aus Kathoden- und Anodenleitungen und weisen
beim Abtasten eine Vorspannung in dieselbe Richtung auf. Trifft
also ein Lichtphoton auf eine der Dioden und es entsteht ein Elektronen/Loch-Paar
(ein Exziton) in der optoelektrisch aktiven Schicht der Diode, wird
das Elektron von der positiv vorgespannten Elektrode, d. h. der
Lochinjektionselektrode aus einem Lochinjektionsmaterial angezogen.
In ähnlicher Weise wird das von dem Lichtphoton erzeugte
Loch von der negativ vorgespannten Elektrode, d. h. der Elektroneninjektionselektrode
aus einem Elektroneninjektionsmaterial angezogen. Da das Lochinjektionsmaterial
nicht ohne Weiteres Elektronen aufnimmt und das Elektroneninjektionsmaterial
nicht ohne Weiteres Löcher aufnimmt, wird von den durch
das einfallende Licht gebildeten Ladungsträgern nur wenig
oder gar kein Strom erzeugt. Somit fungieren die Dioden nicht als effektive
Sensoren. Da die Dioden auch Licht emittieren (sofern sie in Vorwärtsrichtung
vorgespannt sind), lassen sich darüber hinaus Emission
und Detektion bezüglich der Funktionalität nicht
voneinander trennen, was dazu führen kann, dass Dioden
angeschaltet werden, die nicht angeschaltet werden sollen.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass sich das zuvor genannte Problem teilweise
durch eine Umkehrung der Vorspannung bei einem Teil der Dioden in
dem Display lösen lässt. Mit Bezug auf 1 können
beispielsweise die Pixel in einem Display aus einer einfachen passiven
Standardmatrix abgetastet werden, indem eine Elektrode der ersten
Reihe bei einem negativen Potential (relativ zu den Spalten) gehalten
und an die Elektroden der einzelnen Spalten eine positive Vorspannung
angelegt wird, um wiederum die Dioden in der Reihe anzuschalten.
Anschließend kann die Elektrode der zweiten Reihe bei einem
negativen Potential gehalten und an die Elektroden der einzelnen
Spalten eine positive Vorspannung angelegt werden, um wiederum die
Dioden der zweiten Reihe anzuschalten, und so weiter. Wird jedoch
an einige der Spaltenelektroden eine im Vergleich zu den Reihen
negative Vorspannung angelegt (d. h. bei einem negativeren Potential,
so dass die Elektronen von den Spaltenelektroden zu den Reihenelektroden
fließen), werden die Dioden in diesen Spalten umgekehrt
vorgespannt und fungieren als Detektoren und nicht als Emitter.
Abwechselnde Diodenspalten könnten z. B. auf diese Weise
umgekehrt vorgespannt werden.
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Ein
Problem bei der zuvor genannten Anordnung ist, dass aufgrund dessen,
dass die Reihenelektroden für eine Vorspannung der Leuchtdioden
in Vorwärtsrichtung bei einem relativ negativen Potential
gehalten werden, zur Erzeugung einer umgekehrten Vorspannung der
Detektordioden an die Spaltenelektroden ein relativ großes
negatives Potential angelegt werden muss. Dies ist ineffizient und
führt zu einem erhöhten Stromverbrauch und einer
verminderten Lebensdauer der Dioden. Weiterhin kann die Empfindlichkeit
der Detektordioden schlecht sein.
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Demzufolge
haben die Erfinder zwar erkannt, dass die zuvor genannte Lösung
machbar ist, bei dieser Lösung aber wie diskutiert Probleme
bestehen.
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Angesichts
dieser Tatsache und in Übereinstimmung mit einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung wird ein Display aus einer passiven Matrix
bereitgestellt, das ein Diodenarray zwischen einer Vielzahl von
Anodenleitungen und einer Vielzahl von Kathodenleitungen umfasst,
wobei zumindest einige Dioden Leuchtdioden sind, die relativ zu
den Kathoden- und Anodenleitungen in Vorwärtsrichtung ausgerichtet
sind, und andere Dioden Sensordioden sind, die relativ zu den Kathoden-
und Anodenleitungen umgekehrt ausgerichtet sind.
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Die
Anodenleitungen können so angeordnet sein, dass sie relativ
zu den Kathodenleitungen positiv vorgespannt sind. Das Display kann
daher einen Antriebsschaltkreis umfassen, der zur positiven Vorspannung
der Anodenleitungen relativ zu den Kathodenleitungen mit den Anoden-
und Kathodenleitungen gekoppelt ist.
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Die
Dioden können eine Anode, eine Kathode und ein dazwischen
liegendes optoelektrisch aktives Material umfassen.
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Bei
den Dioden, die zur Lichtemission in Vorwärtsrichtung ausgerichtet
sind, befindet sich die Anode neben den Anodenleitungen und ist
elektrisch mit ihnen gekoppelt; die Kathode befindet sich neben den
Kathodenleitungen und ist elektrisch mit ihnen gekoppelt. Die Anode
dieser Dioden besteht aus einem Material, das sich für
die Injektion positiver Ladungsträger (z. B. Löcher)
eignet; die Kathode dieser Dioden besteht aus einem Material, das
sich für die Injektion negativer Ladungsträger
(z. B. Elektronen) eignet.
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Im
Gegensatz dazu befindet sich die Anodenschicht bei den Dioden, die
zur Lichtdetektion in umgekehrte Richtung ausgerichtet sind, neben
den Kathodenleitungen und ist elektrisch mit ihnen gekoppelt; die
Kathode befindet sich neben den Anodenleitungen und ist elektrisch
mit ihnen gekoppelt. Die Anode dieser Dioden besteht aus einem Material, das
sich für die Aufnahme positiver Ladungsträger
(z. B. Löcher) eignet; die Kathode dieser Dioden besteht aus
einem Material, das sich für die Aufnahme negativer Ladungsträger
(z. B. Elektronen) eignet. Mit anderen Worten, die Dioden zur Lichtdetektion
sind effektiv umgekehrt und nun in Gegenrichtung zu den Leuchtdioden
relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen, die die Dioden elektrisch
vorspannen, ausgerichtet. Das heißt, die Sensordioden sind
relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen, die die Dioden vorspannen,
physisch umgekehrt. Dies steht im Gegensatz zu der in 1 dargestellten
Anordnung, in der alle Dioden in dieselbe Richtung ausgerichtet sind.
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Es
ist anzumerken, dass sich die Begriffe Kathode und Anode bei Sensordioden
im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf die intrinsischen
Eigenschaften der für diese Schichten verwendeten Materialien
beziehen. Die Kathode besteht damit aus einem Material, das ohne
Weiteres Elektronen aufnimmt, während die Anode aus einem
Material besteht, das ohne Weiteres Löcher aufnimmt. Im Gegensatz
zu den Leuchtdioden ist die Kathode bei den Sensordioden de facto
mit einer Anodenleitung gekoppelt und damit positiv vorgespannt,
während die Anode de facto mit einer Kathodenleitung gekoppelt
und damit negativ vorgespannt ist.
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Die
zuvor genannte Ausführungsform löst die zuvor
skizzierten Probleme bei Displays aus dem Stand der Technik mit
einer aktiven Matrix insofern, dass keine zusätzlichen
Schaltkreiskomponenten erforderlich sind und das Display damit leichter
herzustellen ist. Dementsprechend sind die Produktionskosten für
die erfindungsgemäßen Displays niedriger. Darüber
hinaus löst eine solche Anordnung die zuvor genannten Probleme
bei Displays aus einer passiven Matrix, bei denen sämtliche
Dioden relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen in dieselbe Richtung
ausgerichtet sind. Die erfindungsgemäßen Displays
sind effizienter und haben einen niedrigeren Stromverbrauch, eine
längere Lebensdauer und eine höhere Empfindlichkeit;
weiterhin wird das Anschalten von Dioden, die nicht angeschaltet
werden sollen, verringert.
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Bei
der zuvor genannten Anordnung ist aufgrund der Tatsache, dass die
Dioden selbst umgekehrt sind, zum Erzielen einer Sensorfunktionalität keine
Umkehrung der Vorspannung bei einigen der Abtast-/Antriebsleitungen
erforderlich. Daher können alle Abtastleitungen in dieselbe
Richtung vorgespannt werden, und es kommt aufgrund der umgekehrten
Ausrichtung relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen auf natürliche
Weise zu einer Umkehr der Vorspannung der Sensordioden.
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Die
Umkehr der Ausrichtung der Sensordioden relativ zu den Kathoden-
und Anodenleitungen lässt sich auf zweierlei Art und Weise
erreichen: (1) die Schichten der Sensordioden können relativ
zu den Leuchtdioden umgekehrt werden, wobei sich die Anodenleitungen
auf einer Seite des Diodenarrays und die Kathodenleitungen auf der
entgegen gesetzten Seite des Diodenarrays befinden, die Leuchtdioden
mit einem neben den Anodenleitungen befindlichen Anodenmaterial
und einem neben den Kathodenleitungen befindlichen Kathodenmaterial
gebildet sind und die Sensordioden mit einem neben den Kathodenleitungen
befindlichen Anodenmaterial und einem neben den Anodenleitungen
befindlichen Kathodenmaterial gebildet sind; bzw. (2) die Schichten
der Sensordioden sind in derselben Reihenfolge angeordnet wie bei
den Leuchtdioden, die Kathoden- und Anodenleitungen sind jedoch
trassiert, so dass die Kathodenleitungen mit den Kathoden der Leuchtdioden
und den Anoden der Sensordioden in Kontakt stehen und die Anodenleitungen
mit den Anoden der Leuchtdioden und den Kathoden der Sensordioden in
Kontakt stehen. Somit können entweder die Schichtstruktur
der Dioden umgekehrt oder die Kathoden- und Anodenleitungen neu
trassiert werden, um eine entgegen gesetzte Ausrichtung der Sensor- und
Leuchtelektroden relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen zu
erzielen.
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In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine
oder mehrere Schichten der Sensordioden zur Umkehrung der Ausrichtung
der Sensordioden dotiert.
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Für
eine effiziente Injektion/Aufnahme von Elektronen in die optoelektrisch
aktive Schicht bzw. aus der optoelektrisch aktiven Schicht können
die Kathoden eine Austrittsarbeit von weniger als 3,5 eV, noch bevorzugter
weniger als 3,2 eV und am bevorzugtesten weniger als 3 eV aufweisen.
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Für
eine effiziente Injektion/Aufnahme von Löchern in die optoelektrisch
aktive Schicht bzw. aus der optoelektrisch aktiven Schicht können
die Anoden eine Austrittsarbeit von mehr als 3,5 eV, noch bevorzugter
mehr als 4,0 eV und am bevorzugtesten mehr als 4,5 eV aufweisen.
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Gemäß einer
Ausführungsform kann jedoch das Material für die
Anode und die Kathode der Sensordioden dasselbe sein. Vorzugsweise
wird ein Material mit mittlerer Austrittsarbeit ausgewählt,
damit es entweder als Elektronenakzeptor oder als Lochakzeptor fungieren
kann. Das Material kann z. B. eine Austrittsarbeit im Bereich von
3 bis 4,5 eV, noch bevorzugter im Bereich von 3,2 bis 4,3 eV und
am bevorzugtesten von 3,5 bis 4,3 eV aufweisen. Ein Beispiel für
ein solches Material ist Aluminium.
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Die
Kathoden- und Anodenleitungen können in Spalten und Reihen
angeordnet sein. Einige der Spalten/Reihen können Dioden
umfassen, die zur Lichtdetektion in die Gegenrichtung ausgerichtet sind.
Beispielsweise können abwechselnde Spalten oder Reihen
zur Lichtdetektion in die Gegenrichtung ausgerichtete Dioden umfassen.
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Die
Sensordioden können Seite an Seite mit den Leuchtdioden
auf einem Substrat angeordnet sein. Alternativ können die
Sensordioden ober- oder unterhalb der Leuchtdioden in einer Stapelanordnung
angeordnet sein. Die Sensordioden können sich z. B. auf
den Leuchtdioden befinden. Dies kann zu einem empfindlicheren Touchscreen-Display
führen.
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Die
Stapelanordnung kann die Genauigkeit der Detektion des von einer
Leuchtdiode in die Vorrichtung reflektierten Lichts erhöhen.
Weiterhin kann die Emissions- und/oder Sensorfläche eines
Displays vergrößert werden, da die Anzahl der
Leucht- und/oder Sensordioden nicht wie bei nebeneinander angeordneten
Leucht- und Sensordioden verringert werden muss. Daher können
im Vergleich zu einer Anordnung Seite an Seite bei Displays derselben Größe
mehr Sensoren und Emitter eingesetzt werden.
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Im
Gegensatz dazu kann eine Anordnung Seite an Seite für die
Sensor- und Leuchtdioden dahingegen vorteilhaft sein, dass im Vergleich
zu einer vertikalen Stapelanordnung ein dünnes Display,
z. B. ein dünnen biegsames Display entsteht. Weiterhin kann
die Lichtabsorption innerhalb des Displays (z. B. des von der optoelektrisch
aktiven Schicht emittierten Lichts) in der Anordnung Seite an Seite
im Vergleich zu der Stapelanordnung reduziert sein.
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Die
Sensor- und/oder Leuchtdioden können zusätzliche
Ladungsinjektions- und/oder Ladungstransportschichten zwischen der
optoelektrisch aktiven Schicht und der Anode und/oder Kathode umfassen.
Zwischen der Anode und der optoelektrisch aktiven Schicht kann sich
z. B. ein Lochtransportmaterial befinden. Zwischen der Kathode und
der optoelektrisch aktiven Schicht kann sich auch ein Elektronentransportmaterial
befinden. Es können auch weitere Schichten wie z. B. eine
Lochinjektions-/Lochaufnahmeschicht neben der Anode oder eine Elektroneninjektions-/Elektronenaufnahmeschicht
neben der Kathode vorliegen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Leuchtdiodenvorrichtung bereitgestellt,
die eine Leuchtdiode und eine darauf befindliche Lichtsensordiode
umfasst. Dies kann eine einfache Vorrichtung wie z. B. eine berührungsempfindliche
Leuchttaste oder eine komplexere Vorrichtung wie z. B. die zuvor
diskutierten Displays sein. Auch hier können die einzelnen
Dioden eine Schicht aus einem Anodenmaterial, eine Schicht aus einem Kathodenmaterial
und ein dazwischen liegendes optoelektrisch aktives Material umfassen.
Der Antriebsschaltkreis kann so eingestellt werden, dass er die Schicht
aus dem Kathodenmaterial in der Leuchtdiode negativ vorspannt, die
Schicht aus dem Anodenmaterial in der Leuchtdiode positiv vorspannt,
die Schicht aus dem Anodenmaterial in der Lichtsensordiode negativ
vorspannt und die Schicht aus dem Kathodenmaterial in der Lichtsensordiode
positiv vorspannt.
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Kurze Zusammenfassung der
Zeichnungen
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Anschließend
werden nur beispielhaft Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
Standardanordnung der Dioden in einem typischen passiven Matrixarray
aus dem Stand der Technik darstellt, bei der alle Dioden in dieselbe
Richtung ausgerichtet sind;
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2 einen
vertikalen Querschnitt durch ein Display aus einer passiven Matrix
wie in 1 dargestellt zeigt;
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3 eine
Arraystruktur der Sensor- und Leuchtdioden in einem Display aus
einer passiven Matrix gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 den
Querschnitt einer OLED-Vorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei
die Umkehrung der Ausrichtung der Sensordioden durch eine Neutrassierung
der Anoden- und Kathodenleitungen erzielt wird;
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5 den
Querschnitt einer OLED-Vorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei
die Umkehrung der Ausrichtung der Sensordioden durch eine Umkehrung der
Schichtstruktur der Dioden erzielt wird;
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6 die
Energieniveaus einer Leuchtdiode gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7 die
Energieniveaus einer Sensordiode, deren Ausrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umgekehrt wurde,
darstellt;
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8 die
Energieniveaus einer Sensordiode, bei der für beide Elektroden
dasselbe Material verwendet wurde, gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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9 einen
Querschnitt einer Diode mit einer dotierten Schicht, die bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, darstellt;
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die 10a und 10b eine
vertikale Stapelanordnung der Leucht- und Sensordioden gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
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die 11a und 11b eine
Ansicht der vertikalen Stapelanordnung von oben nach unten gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
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12 eine
Sensordiode mit einer Polymermischung, die bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, darstellt; und
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13 eine
weitere Sensordiode, die bei Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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3 stellt
eine Arraystruktur der Leuchtdioden 1 und der Sensordioden 2 in
einem Display aus einer passiven Matrix gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie der
Querverweis zu der in 1 dargestellten Anordnung aus
dem Stand der Technik zeigt, unterscheidet sich die Anordnung in 3 dahingehend,
dass die Sensordioden 2 in die entgegen gesetzte Richtung
zu den Leuchtdioden 1 ausgerichtet sind. Die Dioden befinden
sich zwischen Reihen aus Kathodenleitungen 3 und Spalten
aus Anodenleitungen 4.
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Jeweils
eine Reihe der Struktur wird adressiert. Es lassen sich drei Spannungsniveaus
definieren. Ein Grundniveau Vgnd gleich 0 Volt, ein Vorspannungsniveau
der Sensordioden Vs, z. B. 20 Volt, und eine typische Antriebsspannung
für die Leuchtdioden Vd (auch wenn sie evtl. strombetrieben
sind), die zwischen dem Grundniveau und Vs liegen kann. Bei Antrieb
einer Reihe wird diese auf der Grundniveauspannung gehalten und
alle anderen Reihen auf Vs eingestellt. Die Sensorspalten werden
beim Abtasten mit Vs angetrieben und der erzeugte Strom lässt
sich mit einem Sensorschaltkreis messen. Die Emitterspalten werden
mit der Antriebspannung Vd angetrieben, was dazu führt,
dass die Elektronen in Vorwärtsrichtung fließen
und Licht emittiert wird.
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Die
Sensordioden in den ausgeschalteten Reihen haben keinerlei Vorspannung
und erzeugen daher nur wenig oder gar keinen Strom aus dem einfallenden
Licht.
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Die
Leuchtdioden in den ausgeschalteten Reihen sind umgekehrt vorgespannt
und daher nicht aktiv. Zur Umkehrung der Vorspannung der Leuchtdioden
in den ausgeschalteten Reihen beträgt Vd zwar vorzugsweise
weniger als Vs, Vd könnte aber gleich Vs oder um einen
Betrag, der die für den Antrieb der Leuchtdioden notwendige
Schwellenspannung nicht überschreitet, größer
als Vs sein.
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Die
Sensordioden in den angeschalteten Reihen sind durch Vs umgekehrt
vorgespannt und weisen daher eine verstärkte Quantenausbeute
bei der Detektion des auf sie treffenden Lichts auf. Indem die Spannung
auf Vs gehalten wird, kann Strom erzeugt und detektiert werden.
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Die
Leuchtdioden in den angeschalteten Reihen sind durch Vd in Vorwärtsrichtung
vorgespannt und emittieren daher Licht.
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Das
von den Leuchtdioden emittierte Licht, das auf ein Objekt fällt,
das sich in unmittelbarer Nähe des Bildschirms befindet
oder diesen berührt, wird zu den Sensordioden reflektiert.
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Als
Modifikation dieses Verfahrens können die ausgeschalteten
Reihen bei Vs minus der Eigenspannung der Sensordioden gehalten
werden, so dass es zu einem Photostrom-Quenching kommt.
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4 stellt
eine Möglichkeit dar, bei der die Sensordioden in umgekehrter
Richtung relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen ausgerichtet
werden können. Dies wird wie in 4 dargestellt
durch Neurtrassierung der Anodenleitungen 4 und der Kathodenleitungen 5 erzielt,
so dass sie abwechselnd mit den Anoden 5 und den Kathoden 7 der
Dioden in Kontakt stehen. Zwischen den Anoden 5 und den
Kathoden 7 befindet sich ein optoelektrisch aktives Material 6.
Die Dioden bestehen jeweils aus einer unteren Anode 5,
einer optoelektrisch aktiven Schicht 6 und einer Kathode 7.
Bei der Leuchtdiode 1 kontaktiert die Kathodenleitung 3 die
Kathode 7 und die Anodenleitung 4 die Anode 5.
Beider Sensordiode 2 kontaktiert die Kathodenleitung die
Anode 5 und die Anodenleitung die Kathode 7. Damit
die Elektrodenleitungen die Diodenanschlüsse abwechselnd
kontaktieren können, können Durchgänge
im Barrierematerial 8 vorgesehen sein.
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Die
in 4 dargestellte Anordnung zeigt abwechselnde Leucht-
und Sensorspalten. Es können aber auch andere Anordnungen
erwogen werden. Zur Erhöhung der Anzahl der Leuchtdioden
im Display könnten beispielsweise abwechselnde Reihen oder
weniger Sensordioden bereitgestellt werden.
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5 stellt
den Querschnitt eines OLED-Displays gemäß einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar,
bei dem die Umkehr der Ausrichtung der Sensordioden durch eine Umkehr
der Schichtstruktur der Dioden erzielt wird. Bei dieser Anordnung
verbleiben die Kathodenleitungen 3 auf einer Seite des
Diodenarrays und die Anodenleitungen 4 auf der entgegen
gesetzten Seite des Diodenarrays. Die umgekehrte Ausrichtung der Sensordioden 2 wird
durch Anordnung des Kathodenmaterials 7 neben den Anodenleitungen 4 und des
Anodenmaterials 5 neben den Kathodenleitungen 3 erzielt.
Im Gegensatz dazu befindet sich bei Leuchtdioden das Anodenmaterial 5 neben
den Anodenleitungen 4 und das Kathodenmaterial 7 neben den
Kathodenleitungen 3.
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6 stellt
die Energieniveaus einer Leuchtdiode gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Es können
z. B. eine ITO-Anode 5 und eine Bariumkathode 7 eingesetzt
werden. Die Anode 5 wird durch eine Anodenleitung 4 positiv
vorgespannt, die Kathode 7 wird durch eine Kathodenleitung 3 negativ
vorgespannt. Dementsprechend wird ein positiv geladenes Loch von
der Anode 5 in ein HOMO-Niveau eines optoelektrisch aktiven
Materials injiziert. In ähnlicher Weise wird ein Elektron
aus der Kathode 7 in ein LUMO-Niveau des optoelektrisch
aktiven Materials injiziert. In Kombination erzeugen das Loch und
das Elektron in dem optoelektrisch aktiven Material ein Exziton,
das bei Strahlungszerfall Licht emittiert.
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7 stellt
die Energieniveaus einer Sensordiode dar, wobei die Ausrichtung
der Diode gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umgekehrt wurde. In diesem Fall wird
das Kathodenmaterial 7 in der Diode durch eine Anodenleitung 4 positiv
vorgespannt und das Anodenmaterial 5 in der Diode durch
eine Kathodenleitung 3 negativ vorgespannt. Somit werden
die Elektronen bei Bildung eines Exzitons in der optoelektrisch
aktiven Schicht durch Absorption von Lichtphotonen in Richtung des Kathodenmaterials 7 vorgespannt
und die Löcher in Richtung des Anodenmaterials 5 vorgespannt.
Die Elektronen werden durch das Kathodenmaterial 7 aufgenommen,
die Löcher durch das Anodenmaterial 5. Damit fließt
Ladung aus der Diode und erzeugt Strom, der detektiert werden kann.
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8 stellt
die Energieniveaus einer Sensordiode dar, bei der für beide
Elektroden dasselbe Material verwendet wird. In diesem Fall kann
Aluminium verwendet werden. Die Diode funktioniert genauso wie die
in 7 dargestellte. Auch wenn die Angleichung der
HOMO- und LUMO-Energieniveaus des optoelektrisch aktiven Materials
mit den Fermi-Niveaus des Anoden- und Kathodenmaterials 5 und 7 nicht
so gut ist wie in der Anordnung von 7 und daher
zur Erzeugung eines messbaren Stroms eventuell eine größere
Vorspannung erforderlich ist, kann die Einfachheit der Verwendung
derselben Materialien für beide Elektroden bei bestimmten
Anwendungen vorteilhaft sein.
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Durch
Einfügen zusätzlicher Ladungstransportschichten
zwischen der optoelektrisch aktiven Schicht und den Elektroden kann
eine bessere Angleichung der Energieniveaus erzielt werden. 9 stellt
beispielsweite eine Anordnung dar, in der sich neben der Kathode 7 eine
n-dotierte Schicht 10 und neben der Anode 5 eine
p-dotierte Schicht 12 befindet. Ein besonders nützliches
Verfahren zur Herstellung der Sensor- und/oder Leuchtdiode beinhaltet
die Abscheidung einer Mischung aus einem Lochtransportmaterial und
einem Elektronentransportmaterial aus einer Lösung und
die Phasentrennung des Lochtransportmaterials und des Elektronentransportmaterials
unter Bildung einer Lochtransportschicht und einer Elektronentransportschicht.
In der Mischung kann auch ein optoelektrisch aktives Material 6 abgeschieden
werden, das wie in 9 dargestellt unter Phasentrennung
eine separate Schicht bilden oder in einer der Loch- oder Elektronentransportschichten verbleiben
kann.
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10a stellt eine vertikale Stapelanordnung aus
einer Leucht- und einer Sensordiode 1 und 2 dar.
In der dargestellten Anordnung befindet sich die Leuchtdiode 1 auf
der Sensordiode 2; die Anordnung könnte aber auch
umgekehrt sein, sodass sich die Sensordiode auf der Leuchtdiode
befindet.
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In
der dargestellten Stapelanordnung umfasst die Sensordiode 2 eine
untere Anodenelektrode 5 (z. B. Aluminium), die mit einer
Kathodenleitung C in Kontakt steht und daher für die Aufnahme
positiver Ladungsträger aus einer darüber liegenden
optoelektrisch aktiven Schicht 6 negativ vorgespannt ist.
Die optoelektrisch aktive Schicht 6 befindet sich auf der unteren
Elektrode 5, und eine obere Kathodenelektrode 7 (z.
B. Aluminium) befindet sich auf der optoelektrisch aktiven Schicht 6.
Die obere Kathodenelektrode 7 steht mit einer Anodenleitung
B in Kontakt und ist daher für die Aufnahme negativer Ladungsträger
aus der optoelektrisch aktiven Schicht 6 positiv vorgespannt.
In der dargestellten Ausführungsform bestehen die Anode
und die Kathode 5 und 7 der Sensordiode 2 aus
demselben Material, z. B. Aluminium. Sie können jedoch
auch wie zuvor diskutiert aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Auf
der Sensordiode 2 befindet sich eine Anode 5 (z.
B. ITO) der Leuchtdiode 1, die auch mit der Anodenleitung
B in Kontakt steht und daher für die Injektion positiver
Ladungsträger in eine darauf befindliche optoelektrisch
aktive Schicht 6 positiv vorgespannt ist. Auf der optoelektrisch
aktiven Schicht 6 befindet sich eine Kathode 7 (z.
B. Barium) der Leuchtdiode 1, die zur negativen Vorspannung
der Kathode 7 für die Injektion negativer Ladungsträger in
die optelektrisch aktive Schicht 6 der Leuchtdiode 1 mit
einer Kathodenleitung A in Kontakt steht.
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10b stellt ein Energieniveaudiagramm der in 10a dargestellten Anordnung dar, das die Ladungsbewegung,
-emission und -absorption veranschaulicht.
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Die 11a und 11b stellen
Draufsichten der vertikalen Stapelanordnung dar, die die Ausrichtung
der Kathodenleitungen A und C sowie der Anodenleitungen B anzeigen.
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Es
besteht Einvernehmen darüber, dass auch andere Stapelanordnungen
erwogen werden können. Die Vorspannungsleitungen A und
C können z. B. positiv vorgespannte Anodenleitungen sein,
die Vorspannungsleitung B kann eine negativ vorgespannte Kathodenleitung
sein. In diesem Fall würde die unterste Elektrode der Sensordiode
ein Kathodenmaterial, die oberste Elektrode der Sensordiode ein
Anodenmaterial, die unterste Elektrode der Leuchtdiode ein Kathodenmaterial
und die oberste Elektrode der Leuchtdiode ein Anodenmaterial umfassen.
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Aufgrund
der Verarbeitungsschritte bei der Bildung der darüber liegenden
Schichten können zum Schutz der darunter liegenden Schichten
auch Pufferschichten eingesetzt werden.
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12 stellt
eine Diode aus einer Polymermischung dar. Die Diode umfasst eine
Anode 5 (z. B. ITO), eine Lochinjektionsschicht (z. B.
PEDOT) 13, eine Schicht 15 aus einer Polymermischung,
die eine Emissionskomponente sowie eine weitere Komponente wie z.
B. eine Ladungstransportkomponente umfasst, und eine Kathode 7 (z.
B. Al oder LiF). 13 stellt eine Diode mit einer
Mehrschichtstruktur, z. B. einer Elektronentransportschicht und
einer Lochtransportschicht dar. Die Diode umfasst eine Anode 5,
eine Lochinjektionsschicht 13, eine Lochtransportschicht 17,
eine Elektronentransportschicht 19 und eine Kathode 7.
Diese Dioden können anstelle der Dioden der erfindungsgemäßen
Ausführungsformen verwendet werden.
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Die
optoelektrisch aktiven Materialien der Leuchtdioden und der Sensordioden
können so ausgewählt werden, dass das optoelektrisch
aktive Material der Sensordiode nicht das unmittelbar von der Leuchtdiode
emittierte Licht, sondern z. B. Licht einer anderen Frequenz, das
von einer externen Lichtquelle (z. B. einem Lichtstift) erzeugt
wird oder durch Reflexion von einem externen Körper in
der Nähe der Vorrichtung entsteht, absorbiert. Materialien
für Leucht- und Sensordioden sind im Stand der Technik bekannt,
und der Fachmann kann anhand der Lehren der vorliegenden Patentschrift
eine solche Wahl leicht treffen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zwar insbesondere mit Bezug auf ihre
bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben,
für den Fachmann ist aber klar, dass verschiedene Änderungen
bezüglich Form und Details vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten
Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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OPTOELEKTRONISCHE VORRICHTUNGEN
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Display
aus einer passiven Matrix, das ein Diodenarray zwischen einer Vielzahl
von Anodenleitungen (4) und einer Vielzahl von Kathodenleitungen (3)
umfasst, wobei zumindest einige Dioden Leuchtdioden (1)
sind, die relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen in Vorwärtsrichtung
ausgerichtet sind, und andere Dioden Sensordioden (2) sind,
die relativ zu den Kathoden- und Anodenleitungen in umgekehrter
Richtung ausgerichtet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 90/13148 [0003]
- - US 4539507 [0003]